Gerade wurde ein neues supraleitendes Material entdeckt

Originalfassung von diese Geschichte erschien in Wie viel kostet das Magazin?e.

Im Jahr 2024 wurde Supraleitung (Stromfluss ohne Widerstand) in drei verschiedenen Materialien entdeckt. Zwei Beispiele erweitern das Lehrbuchverständnis von Phänomenen. Der dritte zerfetzt es völlig. „Dies ist eine sehr ungewöhnliche Form der Supraleitung und viele würden sagen, dass sie unmöglich ist“, sagte er. Ashwin Vishwanathein Physiker der Harvard University, war an der Entdeckung nicht beteiligt.

Supraleitung fasziniert Physiker, seit die niederländische Wissenschaftlerin Heike Kamerling Onnes 1911 erstmals das Verschwinden des elektrischen Widerstands beobachtete. Es ist völlig rätselhaft, wie das geschieht. Dieses Phänomen erfordert die Paarung von Elektronen, um einen elektrischen Strom zu transportieren. Elektronen stoßen sich gegenseitig ab, aber wie können sie sich verbinden?

Und dann sind da noch die technologischen Erwartungen. Supraleitung hat bereits die Entwicklung von MRT-Geräten und leistungsstarken Teilchenbeschleunigern ermöglicht. Wenn Physiker vollständig verstehen können, wann und wie dieses Phänomen auftritt, können sie möglicherweise Drähte entwerfen, die Elektrizität unter alltäglichen Bedingungen supraleiten, und nicht nur bei niedrigen Temperaturen, wie dies derzeit der Fall ist. Weltverändernde Technologien wie verlustfreie Stromnetze und Magnetschwebefahrzeuge könnten folgen.

Eine Flut neuer Entdeckungen verkompliziert das Geheimnis der Supraleitung und steigert gleichzeitig den Optimismus. „Supraleitung scheint in dem Material allgegenwärtig zu sein“, sagte er. Matthew Jankowitzein Physiker an der University of Washington.

Diese Entdeckungen sind auf die jüngsten Revolutionen in der Materialwissenschaft zurückzuführen. Alle drei neuen Beispiele für Supraleitung kommen in Geräten vor, die aus flachen Atomschichten zusammengesetzt sind. Diese Materialien weisen eine beispiellose Flexibilität auf. Physiker können sie per Knopfdruck zwischen leitendem, isolierendem und exotischerem Verhalten umschalten. Dabei handelt es sich um eine moderne Form der Alchemie, die die Suche nach Supraleitung beschleunigt.

Mittlerweile scheint es so zu sein, dass verschiedene Ursachen für dieses Phänomen immer wahrscheinlicher werden. So wie Vögel, Bienen und Libellen unterschiedliche Flügelstrukturen zum Fliegen verwenden, scheint Materie Elektronen auf unterschiedliche Weise zu kombinieren. Während Forscher darüber diskutieren, was genau in den verschiedenen zweidimensionalen Materialien vor sich geht, könnte der wachsende Zoo an Supraleitern uns helfen, dieses faszinierende Phänomen allgemeiner zu verstehen.

Elektronenpaarung

Der Fall der Kamerling-Onnes-Beobachtungen (und der bei anderen kryogenen Metallen beobachteten Supraleitung) wurde schließlich 1957 gelöst. John Bardeen, Leon Cooper, John Robert Schriefer habe es Bei niedrigeren Temperaturen beruhigt sich das nervöse Atomgitter des Materials, wodurch ein subtilerer Effekt entsteht. Die Elektronen ziehen sanft an den Protonen im Gitter, ziehen sie nach innen und erzeugen eine überschüssige positive Ladung. Diese als Phonon bekannte Variante zieht ein zweites Elektron an und bildet ein „Cooper-Paar“. Cooper-Paare können alles auf eine Art und Weise zu einer kohärenten Quanteneinheit zusammenfügen, wie es eine einzelne Wahl nicht kann. Die entstehende Quantensuppe gleitet reibungslos zwischen den Atomen des Materials, was normalerweise den Stromfluss behindern würde.

Die auf Phononen basierende Theorie der Supraleitung von Bardeen, Cooper und Schriefer brachte ihnen 1972 den Nobelpreis für Physik ein. Aber es stellt sich heraus, dass das noch nicht alles ist. In den 1980er Jahren entdeckten Physiker, dass mit Kupfer gefüllte Kristalle, sogenannte Kuprate, bei hohen Temperaturen supraleitend werden können und durch das Schütteln der Atome Phononen weggespült werden könnten. Weitere ähnliche Beispiele folgten.